先上当前性能进度:速度127mps,效率32%,线圈全开无故障。
这个炮使用全新的架构,有很多新设计要验证,来积累经验,同时也想挑战一下只使用3个牛角电容(?!)来达到一百多的速度。阵列拓扑适合较大规模的设计,因此非常有发展潜力,几乎可以说是为高速小口径特化的优秀方案。由于每个igbt都要多次开关,考虑到器件热量的均衡和降低线圈排列的复杂度,这次采用了两个4*5的阵列共40级,每级1cm。线圈不再保持相对的满层,反正每个都大两百圈我也没法绕整齐,所以除了前5级用更细的线后面的35级统一用了0.41mm线。仿真时每级匝数逐渐地减少,保证各线圈的峰值电流相差不大。当然,这么小的储能不应该输出多大的电流,所以最大电流只有约90a。
仿真时我还发现,使用多粗的线有一些规律。粗线的电阻比细线小所以效率较高。但是,用粗线的匝数少外径大,由于安匝守恒所以电流负载高,并且线圈更重。用细线就相反,同样速度下负载和重量和效率都有所减少,线圈热容少了所以发热更严重。至于线圈参数应该是多少有最好的效率,其他大佬的文章已经给出有关方法了。实际中不必那样,应该根据器件性能和自己取舍来设计线圈。
今年本来是想完善上一个炮,移除一些严重的bug,但之前在群里忽然提出了一种新的炮管工艺,就马上把那个炮丢了搞个新的。这个新工艺据说以前在某文献中出现过,可惜在圈子里不曾提及。虽然不算复杂,但也是我独立发现的。
炮管单元是这样子,因为初次尝试,绕线和焊线花了一整天,实话说我不想再用同样的方法做第二根。改进设计可以节约很多工夫。虽然很费劲,但侧板材料不限,当然选择了便宜又透明的亚克力!看得见这神奇的炮管真的很帅。内部仍然有大量飞线,但数量不多,也可以将它们美观地遮住。在体积上没什么优化空间,只能将线理到直。
十几根线贯穿所有pcb支架,然后线圈有选择地粘在其中两根上。当然,线圈串联了一个二极管,也粘在支架上。每根贯线各连一个igbt,工作原理就不复述了。做好的炮管是个独立的单元,自带译码功能。
由于我的设计特点,线路很长,电阻高,所以设计上提高工作电压降低电流,能稍微提高效率。另外,这个炮具有大量对我来说的新设计细节,想一次成功不炸管,所以特意降低了功率,像上次一样。炮管用细线多匝,所有线圈有200圈以上,电阻1Ω以上,这样500v的工作电流也才100a,用4067根本不会炸。
用半桥的话整体还是没法像boost那么小。本来想做无托布局,但炮管较短,用新结构会很丑,所以画成有托布局了。正好也方便做机械半自动机匣。
外观这次比性能重要,所以建模花了点功夫。整个后托做成了电源总成。电容使用3个并联,容量2700uf内阻35。下方是电池和升压。上方是电源面板,包含接线、开火保险、升降压控制和dcdc。电容的粗线和控制板的细线从外边绕。
测试的时候用这小功率电源,面板用钮子开关正合适,也是我此前一贯用的。现在换功率大点的电源,开久几秒钮子内部就焊住了要用力才扳动看来以后要直接拔电池来切断电源
这根扳机线本来跟别的线一起装在内部,装好之后开两炮烧了两个mcu内部的emi很强,本来就直连5v没串电阻,加上感生电压就烧了这个io。这是因为我以前用的stc89非常耐造,用法也一直没改,现在换stc15才出问题了。把线挪外边加两10k电阻再改高阻输入,mcu才没烧。
最后附上现在装配好的样子,整体重量3.5kg。这几条外露的线不易安装,没什么内走的想法,但相对以前线路全外走已经好很多了。
-下面是喜闻乐见的测速环节-
由于建模时的疏忽,弹头的起始位置比设定的前了3mm,这导致原定的代码不那么适用。但经过粗略调整,速度接近了预期的128m/s。
奇妙的是,发射电压为460v而非480v,发射后剩余350v,此时效率已达32%。但是测试时必须先上膛再发射,使用半自动时反而达不到了而且速度非常不稳定。这让我不得不增加初级脉宽,在半自动时才稳定一点。设计中弹头起始位置进入线圈2mm,以前别的炮这样速度很稳定,但现在离开了1mm就非常不稳定了。
经过倒腾好几次,它还是没做到预期性能,耗电显著低于预期。过低的能耗并不意味着效率高,而是在给定时序下的功率上不去。只能增加脉宽或者电压来提高功率,减小脉宽虽然能匹配更高的速度,但功率会降低从而丢步。如果输入电压高于匹配的话同样会丢步,因为拉力太大造成了反拉,所以测试时用480v的结果还不如460v。
虽然整体实在做不到128了,但因为需要的启动电压没达到设定,所以调整了启动位置和初级脉宽以适配较高的启动电压,并且将mcu时钟调整为32mhz。当前已经做到稳定的连发。虽然动能与许久之前的上一台完工的炮相同,但是重量更轻,外观更帅,射速更快并且更加稳定。
经过这段时间对它继续折腾,电源从480v改成490v,最高达到了127。可能是拉力偏大所以最后两级减脉宽的也产生了较大的贡献。时钟仍然是32m,现在性能介于32m和33m之间。驱动的设计上有负压,但现在有一个去掉了负压,还把一个管换成75a的,仍然很稳定。看来只要驱动设计得好就没必要弄负压,对自己没信心才要用。这次折腾是为了改善发射的一致性,每次都几个us的调,调好之后发射失败率越来越低了。但因为调了很久,射了三四十次,线圈发热之后就明显不稳定了,这时候甚至能隔着3mm胶板感受到变暖。表现为电阻升高需要更长的脉宽来增加能量。启动级对电压相当敏感,容限不到10V,随着温度升高电压窗口也会变高,超出容限就会发射失败。但这时可以将弹头多推入零点几毫米来补偿。总的来说,可能由于过于精密,线圈热容只允许一段时间内打几十次,时序上需要设计更多冗余。
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